úloha č. 5

Přechodné děje při spínání tranzistorů
1 Cíle úlohy
Smyslem úlohy je seznámení studentů s průběhem trajektorie pracovního bodu tranzistoru při
spínání a rozpínání typické RL zátěže. Každá polovodičová součástka může trvale pracovat pouze
v tzv. bezpečné pracovní oblasti (SOA – Safety Operating Area). Při rozpínání induktivních zátěží
však mohou – díky zákonu zachování energie – provozní parametry součástky opustit bezpečnou
oblast. Hrozí tak zničení polovodičového spínače. Studenti budou pozorovat časové průběhy
provozních parametrů spínače i jejich projekci do stavové roviny (pohyb pracovního bodu).
Studenti se seznámí se základními odlehčovacími obvody, jejichž smyslem je udržet pracovní bod
uvnitř bezpečné pracovní oblasti.
2 Zadání
•
Zaznamenejte a okomentujte časové průběhy napětí a proudů na jednom zvoleném
tranzistorovém spínači. Zobrazte průběhy pracovního bodu spínače i ve stavové rovině
(režim XY) a doplňte je měřítky. Měření proveďte jak pro samotnou RL zátěž, tak pro
obvod vybavený tlumicím (odlehčovacím) obvodem. Vyzkoušejte dostupné členy (RC, RD)
a samotnou nulovou diodu. Při měření nesmí být překročeno maximální napětí na kolektoru
tranzistoru (UCEMAX) 100 V a kolektorový proud (IC) 2 A.
3 Schéma měření, popis pracoviště
Jednoduchý tranzistorový spínač (NPN) v zapojení se společným emitorem má jako zátěž paralelně
spojenou indukčnost 740 µH a odpor 100 Ω. Spínač je buzen externím pevným generátorem a je
napájen stejnosměrným zdrojem malého napětí (UC). Napájecí zdroj je vybaven kondezátorem (C)
ke krytí špičkových odběrů proudu. Kolektorový obvod dále obsahuje pomocný odpor 0,3 Ω.
Paralelně k zátěži mohou být připojeny tlumicí členy: rezistor 14 Ω, nulová dioda 1N5308 a
kondenzátor 2,2 µF. Obvod umožňuje připojovat různé kombinace těchto tlumicích členů.
Kolektorové napětí na tranzistoru je snímáno přes sondu 10:1 na kanál osciloskopu CH1 (X), proud
je snímán na kanál CH2 (Y) pomocí bezdotykové sondy Tektronix AM503. Osciloskop je
synchronizován impulsy od mikroprocesorového generátoru (nezakresleno).
sonda AM503
4 Postup měření
a) Přípravek obsahuje dva velmi podobné křemíkové výkonové tranzistory upevněné na
chladičích (se spojenými emitory). Zvolte k měření jeden z nich a připojte k němu pomocí
banánků řídicí signál do báze a zátěž. Příklady zapojení jsou níže. Na napájecím zdroji UC
nastavte nulové napětí. Nikdy nezačínejte měření s nenulovým napájecím napětím! Při
měření je třeba začínat vždy od minimálního napájecího napětí!
b) Osciloskop zapněte a nastavte do časového režimu s externím spouštěním. Pozor na stav,
kdy osciloskop není synchronizován a zobrazuje trvale hodnoty blízké nule (pouze
rušení) nebo hodnoty z posledního synchronizovaného okamžiku. Po zapnutí napájecího
zdroje pak hrozí překročení mezních parametrů součástek a následný průraz tranzistorů. Děj
přitom není na osciloskopu viditelný! Proudovou sondu nastavte na citlivost asi
0,2 A/10 mV a upravte stejnosměrnou složku (DC level). Pokud tranzistorem neteče proud,
musí sonda ukazovat nulové výstupní napětí. Pozor dejte i na orientaci sondy vůči
protékajícímu proudu.
c) Postupně zvyšujte napájecí napětí UC z nuly do takové hodnoty, kdy ještě není překročeno
maximální kolektorové napětí 100 V. Pozor, při zapojení tranzistorového spínače bez
tlumicích obvodů je možné dosáhnout špičkového kolektorového napětí 100 V již při
napájení cca 2-3 V! Pozorované časové průběhy zaznamenejte a prostřednictvím
automatického vyhodnocování průběhů nebo kurzory určete špičkové hodnoty napětí a
proudu. Naměřené průběhy zaznamenejte do svého laboratorního deníku či sešitu.
d) Přepněte osciloskop do režimu XY (tlačítka Display, Format XY) a zaznamenejte pohyb
pracovního bodu spínače. Je vhodné zapnout paměť obrazovky (funkce Persist).
Okomentovaný průběh pro všechny kombinace tlumicích členů vložte do zápisu z měření.
C
C
KUY12
KUY12
generátor
generátor
E
B
B
KD503
E
KD503
+Uc
+Uc
C
C
GND
GND
GND
GND
Příklady připojení tranzistoru:
•
vlevo tranzistor KUY 12, ochrana kolektoru pouze nulovou diodou,
•
vpravo tranzistor KD 503, ochrana kolektoru RC členem.
5 Měřené vzorky
č.
1
2
součástka
KD 603
KUY 12
ICMAX
20 A
10 A
UCEMAX
80 V
80 V až 200 V podle UBE
výrobce
TESLA Rožnov, n.p.
TESLA Rožnov, n.p.
6 Typické průběhy
Tranzistor KD503 bez tlumení. Napájení přípravku 2 V; vlevo časový průběh, vpravo trajektorie
pracovního bodu. Přepěťová špička (UCEMAX) má amplitudu asi 60 V, maximální proud cívkou je
kolem 0,8 A. Na pravém průběhu je patrné maximální napětí (vodorovná osa kolem 64 V)
Tranzistor KD503 s tlumicím členem RD. Napájení přípravku 2 V; vlevo časový průběh, vpravo
trajektorie pracovního bodu. Přepěťová špička je omezena na 14 V, maximální proud se nemění.
Tranzistor KD503 s tlumicím členem RC. Napájení přípravku 2 V; vlevo časový průběh, vpravo
trajektorie pracovního bodu. Přepěťová špička je omezena na 14 V, maximální proud se nemění.
Všimněte si aperiodického tlumeného děje. Energie akumulovaná v proudem protékané cívce
(½LI 2) se totiž začne měnit na energii nabitého kondenzátoru (½CU 2). Z hodnot 2,2 µF a 740 µH
lze spočítat vlastní rezonanční kmitočet kolem 4 kHz. Dále je na průběhu proudu (červeně) vidět
nabití tlumicího kondenzátoru. Oproti čistě induktivní zátěži se proud může měnit téměř skokově.
Tranzistor KD503 s nulovou diodou. Napájení přípravku 2 V; vlevo časový průběh, vpravo
trajektorie pracovního bodu. Všimněte si, že „přepětí“ na kolektoru tranzistoru odpovídá
propustnému úbytku na nulové diodě. Typická hodnota tak bude do 1 V.